无线通信技术(5).ppt

无线通信技术 武卓zwu 2010 12 21 数字调制和解调技术 数字基带信号数字基带信号的频谱载波传输或者带通传输数字调制无线移动通信的重要研究课题抗信道损伤高频谱效率 通信与信息工程学院 数字调制概述线性调制正交调幅恒包络调制多载波调制移动信道对数字调制性能的影响 通信与信息工程学院 数字调制和解调技术 数字调制和解调技术 3 1 1数字调制概述数字调制的特点抗损伤能力强可以采用现代信号处理和控制技术纠错编码 加密 均衡等可编程调制解调 软件无线电 调制信号的数学表示数字调制的实质 调制信息信号波形波形集合 对二元调制 M 2一个信号波形 符号 最多可携带比特信息 数字调制和解调技术 通信与信息工程学院 数字调制和解调技术 在矢量空间中的信号波形 可表示为N个正交波形的线性组合 这N个正交波形构成了该矢量空间的基 正交 单位能量 通信与信息工程学院 数字调制和解调技术 例如 二相相移键控BPSK信号 其中 每比特的信号能量每比特的持续时间 数字调制和解调技术 对该信号集 只有一个基这样 BPSK信号集可表示为星座图 信号集在几何上的表示 QI 通信与信息工程学院 数字调制和解调技术 通信与信息工程学院 调制信号的最佳接收最佳 误码率最小条件 加性白噪声接收端的有用表示 例如 BPSK接收到的信号 最佳接收判决准则 数字调制和解调技术 3 1 2线性调制特点 线性调制中 发射信号S t 的幅度随数字调制信号线性变化其中 是已调信号的复包络表示通常为复数形式 线性调制一般没有恒定的包络频带利用率高 通信与信息工程学院 数字调制和解调技术 BPSK调制 通信与信息工程学院 数字调制和解调技术 BPSK波形 滤波后 未滤波时的频谱 带宽 奈奎斯特滤波后 数字调制和解调技术 BPSK性能指标 误码率 BER 其中 QPSK调制 数字调制和解调技术 数字调制和解调技术 QPSK即4PSK 是四进制数字相位调制 它是将信息序列中一对相邻码元的四个状态 00 01 10 11 用四个相位不同的载波信号进行相位调制 QPSK信号可以表示为 数字调制和解调技术 A方式双信息符号与 k的关系 B方式双信息符号与 k的关系 数字调制和解调技术 在一个符号间隔 0 T 内 码元信号为 串 并变换 90 移相 二进制双极性不归零码 QPSK输出 I Q 载波发生 数字调制和解调技术 在QPSK中两正交支路数据在时间上是完全对准 当两路数据同时改变相位是 会发生180 的相位跃变 数字调制和解调技术 QPSK相干解调框图 数字调制和解调技术 OQPSK 交错正交相移调制 是QPSK的改进 它与QPSK有相同的相位关系 不同在于将同相和正交两支路的码流在时间上错开了半个码元周期 OQPSK 数字调制和解调技术 OQPSK的功率谱主瓣包含功率的92 5 频带受限OQPSK比频带受限的QPSK的包络起伏小 经限幅放大后频谱展宽也少 故OQPSK性能优于QPSK OQPSK相干解调框图 数字调制和解调技术 4QPSK是对QPSK的一种改进 它把QPSK调制的A B两种方式的矢量图合二为一 并且使载波相位只能从一种模式 A或B 向另一种模式 B或A 跳变 矢量图中的箭头表示载波相位的跳变路径 显然 相位变化只有土45 和土135 4种状态 不存在180 相位跳变 因此较QPSK调制具有更好的频谱特性 数字调制和解调技术 映射逻辑电路的功能为 4QPSK调制系统框图 数字调制和解调技术 ak I 与ak Q有 0 0 0 1 1 0 1 1 4种组合 经映射逻辑变换后 输出有8种取值组合 在映射逻辑输出的数据流中 第k个同相正交双bit符号Ik Qk的合成相位值用 k表示 第k 1个同相正交双bit符号lk 1 Qk 1的合成相位值用 k 1表示 为了求得Ik Qk的合成相位 将Ik 1 Qk 1的8种取值组合带入公式 1 2 得到 数字调制和解调技术 4QPSK调制系统输出信号数学表达式为 4QPSK调制系统输出信号相位由 k决定 根据对 k的定义 很容易求出输入数据流变化时 4QPSK调制系统输出信号的相位变化关系 数字调制和解调技术 例题 输入数据流 aj 00101100110111 4QPSK调制系统输出信号相位变化规律 解 aj 经串 并变换后得到 ak I ak Q 00 10 11 00 11 01 11 设初相 0 0 依据表1给出的方式可求出 k k及 k跳变的度数 数字调制和解调技术 4QPSK的解调可以采用相干解调 也可以采用非相干解调 可供选择的解调器有三种 基带差分检波 中频差分检波和调频鉴频器检波 数字调制和解调技术 基带差分检波框图 数字调制和解调技术 因此误码率为 频谱利用率与BPSK相同使用在SatcomsTerrestrialradioUMTS QPSK误符号率为 QPSK调制系统性能 数字调制和解调技术 BPSK与QPSK有同样的功率要求带宽效率为 BPSK QPSK 怎样增加带宽效率 增加每个符号包含的比特数 数字调制和解调技术 PSK调制的误码率性能 数字调制和解调技术 例题 一个数据的速率为64kbit s的信息将在带宽为25kHz的频带上传输 试求M和 的值 例题 如果要求系统的BER性能达到10 8同时采用M PSK调制 那么此时的比特能量与噪声功率比值 Eb N0 为多少 数字调制和解调技术 正交幅度调制 QAM 是用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调幅 利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性 实现两路并行的数字信息的传输 正交振幅调制的一般表达式为 Tb为码元宽度 Am和Bm为离散的振幅值 m 1 2 M M为Am和Bm的个数 QAM 数字调制和解调技术 可以看出 已调信号是由两路相互正交的载波叠加而成的 每路载波被一组离散的振幅 Am Bm 所调制 故称这种调制方式为正交振幅调制 其振幅Am和Bm可以表示成A是固定的振幅 与信号的平均功率有关 dm em 表示QAM调制信号矢量端点在信号空间的坐标 由输入数据决定 数字调制和解调技术 提出MQAM的原因为了高速传输大量数据 又要不占用过宽的频带必然要提高频带利用率 已知频带利用率 式中 为码元宽度 为比特率 m为进制数 B为所需带宽 数字调制和解调技术 16PSK星座图 在单独使用相位调制时 不能最充分地利用信号平面 I Q 数字调制和解调技术 1 单独的幅度键控ASK 在矢量图上只利用了坐标轴上的点 2 单独的相移键控PSK 在矢量图上只利用了圆周上的点 当M增多 点会越来越密 这些矢量点之间的距离也随之减小 很容易产生码间的串扰 导致误码随之增加 为了要充分利用平面 将矢量点合理分布 因此引出幅度和相位结合的多进制调制方式MQAM 数字调制和解调技术 16QAM星座图 I Q 数字调制和解调技术 MQAM星座图 数字调制和解调技术 MQAM信号可表示成 为了方便传输与检测 一般都取 为双极性码 并令它有相等的信号间距 如取为 式中为码元宽度 数字调制和解调技术 通常 原始数字数据都是二进制的 为了得到多进制的QAM信号 首先应将二进制信号转换成M进制信号 然后进行正交调制 最后再相加 具体调制框图如下 数字调制和解调技术 MQAM调制方框图及各点波形 串 并变换 2 电平变换 y t 电平变换 预调制LPF 预调制LPF 载频振荡 1 2 3 Bm 4 5 6 7 Am 数字调制和解调技术 并 串变换 2 电平变换 y t 电平变换 LPF 载频提取 12 8 9 10 LPF 多电平判决 多电平判决 定时恢复 11 MQAM解调方框图及各点波形 数字调制和解调技术 假设已调信号的最大幅度为1 不难算出MPSK时星座图上信号点的最小距离为而MQAM时 若星座为矩形 则最小距离为 数字调制和解调技术 当信号的平均功率受限时 MQAM的优点更为显著 因为MQAM信号的峰值功率与平均功率之比为 因此 当M 4时 d4PSK d4QAM 事实上4PSK与4QAM的星座图相同 但当M 4时 例如M 16 则可算出d16PSK 0 39 d16QAM 0 47 d16QAM d16PSK 这说明16QAM的抗干扰能力优于16PSK 数字调制和解调技术 对16QAM来说 L 4 所以k16QAM 1 8 至于16PSK信号的平均功率就等于它的最大功率 恒定包络 因而k16PSK 1